CN101362461A - 混合动力电动车辆的起跑控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于控制具有传动系的车辆的起跑的系统，该传动系包括：用于驱动第一车轮组的第一动力通道，该第一动力通道包括发动机、具有可驱动地连接至发动机的曲轴的输入端的变速箱、当前齿轮、与当前齿轮相关的输入离合器和连接到第一车轮组的输出端；以及用于驱动第二车轮组且包括电机的第二动力通道。

Description

混合动力电动车辆的起跑控制器

技术领域

本发明大体上涉及具有发动机以及一个或多个电机的混合动力电动车辆(或混合动力汽车)的传动系，并且具体地，涉及到当车辆从停止或接近停止的条件被加速(称作车辆起跑)时，控制传输至驱动轮的转矩。

背景技术

动力换档变速箱是这样的一种齿轮机构，该机构使用了用于在前进驾驶和后退驾驶中产生多个传动比的两个输入离合器。其利用同步的离合器-离合器转换(clutch-to-clutch shift)来连续传输动力。

该变速箱与在变速箱输入端和其输出端之间的双副轴配置中所布置的齿轮装置相结合。一个输入离合器在输入端和与偶数编号的齿轮相关的第一副轴之间传输转矩；另一个输入离合器在变速箱输入端和与奇数编号的齿轮相关的第二副轴之间传输转矩。该变速箱通过交替地啮合第一输入离合器并且在当前档位(gear)下运行、脱离第二输入离合器、在变速箱中预备用于在目标档位中运行的动力通道、脱离第一离合器、啮合第二离合器并且在变速箱中预备用于在下一个档位中运行的另一动力通道来产生传动比转换。

在其传动系包括动力换档变速箱的传统车辆的车辆起跑状况下，以协同方式来同时控制发动机和变速箱，以提供容许的车辆起跑性能。在动力换档变速箱车辆应用中，由于缺乏转矩变换器，因此提供一致的并且容许的车辆起跑性能可能是十分困难的控制问题。在这类车辆应用中的车辆起跑状况下，与发动机转矩协调地谨慎控制变速箱离合器的最大转矩(torque capacity，或转矩传递承载能力)以及横越离合器的滑移(slip)，以提供期望的车辆响应。在这些事件期间可能发生的问题包括：发动机熄火、离合器的过度滑移、离合器耐久性降低、踏板失灵(dead)、以及响应不一致(这是一些实例)。

动力换档变速箱可以用于混合动力汽车(HEV)中，其中，诸如马达或集成式起动机-发电机(ISG)的一个或多个电机相串联地与发动机并联安置在该车辆中。与具有动力换档变速箱的传统车辆不同，在具有动力换档变速箱的混合动力电力车辆中，存在着在车辆起跑状况下发动机以及电机可以使用的多条推进通道和多个动力源。因此，需要更加精密的动力换档车辆起跑控制系统，以响应于车辆驾驶员的车辆起跑请求来处理HEV的复杂性以及增加的传动系运转模式。

发明内容

用于控制HEV中车辆起跑的系统以及方法利用附加的推进通道以及转矩致动器来改善车辆起跑性能并且克服由具有动力换档变速箱的传统车辆所呈现的问题以及不足。

由于改善的动力换档变速箱控制，因此当在车辆起跑期间为了推进而使用多条推进通道时，该控制策略支持转矩混合。再者，当由附加转矩制动器提供推进辅助时，该控制协调离合器最大转矩控制，由于相应地降低了离合器负荷，因此改善了离合器耐久性。该控制支持多种HEV传动系模式以及转换，如果未使用附加转矩制动器，该控制就自动地与具有动力换档的传统车辆一样工作，并且该控制可应用于使用动力换档变速箱(无论该输入离合器是湿式或干式离合器)的任意HEV传动系结构。

用于控制车辆起跑的方法适用于这样的传动系，该传动系包括：用于驱动第一车轮组的第一动力通道，并且该第一动力通道包括发动机、具有可驱动地连接到发动机曲轴的输入端的变速箱、当前齿轮、与当前齿轮相关的输入离合器以及连接到第一车轮组的输出端；以及第二动力通道，该第二动力通道包括用于驱动第二车轮组的电机。该方法包括：确定要在第一车轮组处产生的车轮转矩的期望量值；利用要在第一车轮组处产生的车轮转矩的期望量值来确定曲轴转(扭)矩的量值；在输入离合器处产生最大转矩的预定量值；确定曲轴速度误差；确定曲轴处的转矩在量值上的改变，该改变将降低曲轴速度误差；以及操作发动机以产生所期望的发动机转矩，发动机转矩的量值由曲轴处的转矩在量值上的变化以及所期望的曲轴转矩的量值来确定。

由下面详细的描述、权利要求以及附图，优选实施例的应用范围将变得显而易见。应当理解，尽管示出了本发明的优选实施例，但这些描述以及具体实例仅是为了说明的目的而给出。对于本领域的那些技术人员来说，对于所描述的实施例以及实例的多种改变以及修正将是显而易见的。

附图说明

通过结合附图来参考下面的描述，本发明将更加易于理解，其中：

图1是可以应用该控制的车辆传动系系统的示意图；

图2是示出了图1的车辆传动系系统的其他细节的示意图；

图3是车辆起跑控制系统的示意图；

图4是示出了车辆起跑控制方法步骤的图表；

图5A是示出了在通过执行控制算法所产生的车辆起跑运转期间，所期望的车轮转矩的随时间的变化的曲线图；

图5B是示出了在车辆起跑操作期间，从动(subject)输入离合器的所期望的最大转矩随时间的变化的曲线图；

图5C是示出了在车辆起跑运转期间，车速随时间变化的曲线图；

图5D是示出了在车辆起跑运转期间，发动机曲轴速度、期望的发动机曲轴速度、以及离合器输出速度随时间的变化的曲线图；

图5E是示出了在车辆起跑运转模式期间，发动机转矩和期望的曲轴转矩随时间变化的曲线图；

图5F是示出了在车辆起跑运转期间，变速箱输出转矩和ERAD转矩随时间变化的曲线图；

图6是示出了动力换档变速箱的细节的示意图。

具体实施方式

如图1和2中所示，车辆传动系12包括：发动机14(诸如柴油或汽油发动机)；变速箱16(诸如双湿式离合器动力换档变速箱或其他不具有转矩变换器的多比率变速箱)；电机18(诸如可驱动地连接至变速箱输入端20的ISG)；以及附加电机22(诸如电马达)。电机18具有起动机/发电机性能。

电机22(有时被称作电子后桥驱动单元(electric rear axle drive，ERAD))被连接到后桥24的主减速器(final drive)并且在电驱动或混合动力(串行/并行)驱动模式下提供辅助推进性能。在全FWD应用中，电机22还可以连接至变速箱的输出端处的前桥的主减速器，并被称作电动前桥驱动(EFAD)单元。由电机22所输出的动力通过ERAD传动装置28以及主减速器单元30(该主减速器具有轮间差速机构的形式)来驱动车辆车轮26、27。类似地，变速箱输出端32通过主减速器单元36可驱动地(机械地)连接至车轮34、25，该主减速器单元包括了轮间差速器机构。

传动系12可以在如下的主要模式中运转，这些模式包括：(1)电驱动，其中ERAD28作为电马达或作为发电机运转；(2)电驱动，其中发动机14运行并且产生燃烧，CISG 18生成电力，并且ERAD 22交替地运转(motor)并且生成电动力；(2)串行混合动力驱动，其中发动机14运行并且产生燃烧，并且ERAD 22运转或产生电力；(3)发动机驱动，其中发动机14运行而ERAD 22关闭；(4)并行混合动力驱动，其中发动机14或ERAD 22运行或者两者都运行；(5)发动机起动，其中CISG 18运转以通过驱动发动机飞轮来起动发动机；以及(6)发动机停止，其中发动机14关闭。当以并行混合动力驱动模式工作时，传动系可以在多种子模式中运转，这些子模式包括：(4.1)并行混合动力驱动1，其中CISG 18关闭，ERAD 22运转或发电；以及(4.2)并行混合动力驱动2，其中CISG 18发电而ERAD 22交替地关闭、运转或发电。

图2示出了：输入离合器40、41，这两个离合器选择性地将变速箱16的输入轴20交替地连接到偶数编号的齿轮42和奇数编号的齿轮43；电子变速箱控制模块(TCM)44，其通过对开动输入离合器以及齿轮箱换档拨叉/同步器的伺服系统的控制信号来控制输入离合器以及齿轮箱状态；电子发动机控制模块(ECM)46，其控制发动机14的运转；ISC 48，其控制CISG和ERAD运转。车辆控制系统(VCS)(未示出)对TCM以及ECM发布控制指令。VCS、TCM 44以及ECM 46中的每一个都包括微处理器，该微处理器可访问电子存储器并且包含由计算机代码所表示的控制算法，该控制算法以频繁间隔重复地执行。

存在两条推进通道：机械通道和电动通道，使用它们以满足由车辆驾驶员所产生的推进需求。发动机14可以借助于通过在机械推进通道中的变速箱16将转矩传输至车轮34、35来提供车辆推进力，并且在电动推进通道中ERAD机22可将车辆推进力直接提供至车轮26、27。

响应于在起跑状况下由车辆驾驶员所产生的有效推进请求，车辆起跑控制使用基于转矩的控制策略来控制变速箱输入离合器40、41的最大转矩以及发动机曲轴转矩。

在图3的控制系统图和图4的方法步骤图中，示出了用于控制使用图1和2所示传动系12的车辆起跑的算法的步骤。由发动机油门踏板50被压低的程度来表示车辆驾驶员对于车轮转矩的需求，该压低通常被称作油门踏板位置(pps)。接收由pps传感器所产生的表示油门踏板位置的电信号51和由轴转速传感器所产生的表示当前车辆速度52的电信号作为驾驶者需求确定函数54的输入，该驾驶者需求确定函数访问(access)电子存储器中的由两个输入变量表征(index)的且用以产生期望车轮转矩T_{W_DES}量值的函数。

在56处，依据对所期望的车轮转矩，确定通过机械推进通道(其包括发动机14、变速箱16以及主减速器36)要被提供至前车轮34、35的期望前桥转矩T_{W_FA}以及通过电动推进通道(其包括ERAD 22、ERAD传动装置28以及主减速器30)要被提供到后车轮26、27的期望后桥转矩T_{W_RA}，从而使得所分配的推进转矩的总和等于期望车轮转矩T_{W_DES}。用于推进分配的策略可能会考虑车辆稳定性以及动态约束、能量管理以及效率标准、多种动力源的最大转矩等。

在58处，依照对ERAD传动比、所分配的推进56以及后桥推进转矩请求T_{W_RA}来确定期望ERAD转矩T_{ERAD_DES}。在58处，在通信总线60上将表示期望ERAD转矩T_{ERAD_DES}的指令发送至ISC 18控制接口，该指令使ERAD 22产生对应于期望后桥转矩T_{W_RA}的期望ERAD转矩T_{ERAD_DES}。

类似地，在59处，由所分配的推进56、机械动力通道的主减速器比以及前桥推进转矩请求T_{W_FA}来确定所期望的变速箱输出转矩T_{O_FA}。在59处，表示期望变速箱输出转矩T_{O_FA}的指令被发送至62(在此处确定变速箱输入离合器40、41的最大转矩)并被发送至64(在此处确定发动机曲轴转矩)。下面将描述在62和64处所使用技术的细节。

接下来，控制转到动力换档车辆起跑模式处理控制器66，该控制器接收表示变速箱齿轮选择器PRNDL的位置、发动机14的曲轴速度ω_CRK、车辆速度VS 52、以及HEV传动系操作模式的输入信号。假设所期望的变速箱输出转矩T_{O_FA}等于或大于预定量值，并且车辆速度低，则控制器66触发车辆起跑模式控制器68，从而表明车辆在车辆起跑模式中运转并且在车辆起跑期间将使用包括变速箱16的推进通道。

在控制器66发布触发起跑模式控制器68的指令67之后，控制转到62，在此处开环控制由当前变速箱齿轮、其传动比、以及期望的变速箱输出转矩T_{O_FA}来确定车辆起跑期间所期望的输入离合器最大转矩T_{CL_CAP_LCH}。当通过控制器66触发起跑模式控制器68时，在车辆起跑期间所期望的离合器最大转矩T_{CL_CAP_LCH}在通信总线60上作为主动输入(final input)最大转矩指令92 T_{CL_CAP_DES}被发送到TCM 44。

在70处，车辆起跑控制器68由存储在电子存储器中并由当前车速VS 52和油门踏板位置51所表征的函数71来确定横跨从动输入离合器40、41的期望的滑移CL_{SLIP_DES}。从动输入离合器40、41是与在车辆起跑期间变速箱在其中运转的齿轮相关的离合器。

在72处，在求和点(summing junction)74处由期望的离合器滑移CL_{SLIP_DES}和当前离合器输出速度(即，齿轮箱输入端21处的速度ω_CL)来确定变速箱输入端20处的期望发动机曲轴速度ω_{CRK_DES}。在通信总线60上，将表示当前离合器输出端速度ω_CL的信号从TCM 44传送到求和点74。期望的发动机曲轴速度ω_{CRK_DES}以及当前发动机曲轴速度ω_CRK作为输入被提供至求和点78。

接下来，控制转到64，在该处，开环依照期望的变速箱输入端转矩T_{O_FA}、当前变速箱齿轮、当前传动比、以及在车辆起跑期间与曲轴加速相关的预期惯性损耗来确定由发动机曲轴以及变速箱输入端20所传送的转矩T_{CRK_OL}。

在求和点78处，确定发动机曲轴速度误差的量值ω_{CRK_ERR}(即，在变速箱输入端20处的期望的发动机曲轴速度ω_{CRK_DES}与当前曲轴速度ω_CRK之间的差额)，并将其作为输入提供给PID控制器80或类似的闭环控制器。在通信总线60上将表示当前曲轴速度ω_CRK的信号从ECM46传送到求和点78。为了控制在车辆起跑期间横跨从动输入离合器40、41的滑移，控制器80确定使发动机曲轴速度误差ω_{CRK_ERR}最小化的期望改变或曲轴转矩变量增量ΔT_{CRK_CL}。

将期望的曲轴转矩变量增量ΔT_{CRK_CL}发送到求和点82，在求和点82处将其加入到由发动机曲轴以及变速箱输入端20所传送的转矩T_{CRK_OL}的量值中。将在求和点82处所产生的总和作为输入提供至76，在此处控制器发布指令T_ENG DES，该指令在通信总线60上被传送到ECM 46，该ECM通过调节发动机转矩来响应于该指令，以产生所期望的曲轴转矩T_ENG DES。

接下来，控制返回至66，以基于当前条件来确定是否应当停用(deactive)动力换档车辆起跑模式控制68。如果当前离合器滑移CL_SLIP是最小的，则曲轴速度ω_CRK大于离合器输出速度ω_CL，并且车辆速度VS大于阈值车辆速度，接下来，当控制器66发布指令信号67以及86时，退出车辆起跑模式控制68。

在从动输入离合器40、41在88处以零离合器滑移平稳啮合之后，控制器66在90处触发锁定模式并产生指令T_{CL_CAP_LOCKED}，且在通信总线60上将该指令作为主动输入离合器最大转矩指令92T_{CL_CAP_DES}传送至TCM 44。在从动输入离合器40、41完全啮合之后，由90所发布的指令T_{CL_CAP_LOCKED}使得从动输入离合器在充分大于当前曲轴转矩量值的离合器最大转矩处完全啮合或锁定，因此，确保变速箱不会滑移。

如果缺少对于退出控制车辆起跑控制所需的任何条件，则控制返回至59，在此处重复该控制策略的后续步骤。

图4列出了车辆起跑控制的步骤并使用了与在参考图3所描述步骤顺序中使用的参考标号相同的参考标号。

图5A-5F示出了通过执行控制算法所使用或产生的传动系的变量和参数随时间的变化。例如，图5A涉及车轮转矩。在100处，在输入离合器40、41都不啮合的空档模式期间，车辆驾驶员倾斜油门踏板，因此接纳始于102处的车辆起跑条件。期望的车轮转矩104T_W DES与期望的前桥转矩106T_{W_FA}在量值上相差了期望的后桥转矩108T_{W_RA}的量值。在110处，混合出(blend out)后桥转矩只留下前桥转矩，以在车辆起跑模式期间驱动车辆。

图5B示出了从动输入离合器的期望的最大转矩的变化。在102处，基于期望的变速箱输出转矩TO_FA，在车辆起跑模式期间控制开环离合器最大转矩112TCL_{CAP_DES}。在起跑模式的结尾处，离合器最大转矩在114处升高(ramp)，以平稳啮合变速箱。一旦在起跑模式的结尾处啮合离合器，从动输入离合器的最大转矩就逐步增加并在116处得以保持，以充分地锁定离合器并确保输入离合器不滑移。

图5C中所表示的车辆速度118在空档模式中为零并在整个起跑模式中增加。

在图5D中示出了实际发动机曲轴速度120、期望的发动机曲轴速度122、以及离合器输出速度124的变化。横跨从动输入离合器的期望滑移由期望的曲轴速度122和离合器输出速度124之间的差额126来表示。当将实际曲轴速度120控制到期望的曲轴速度122时，该控制使得实际离合器滑移逼近期望的离合器滑移。当期望的曲轴速度和实际曲轴速度相等时，实现期望的离合器滑移，但离合器可能滑移。如在图5D和5E中所示，用垂直虚线示出了实际曲轴速度穿过期望的曲轴速度的位置。

图5E示出了发动机转矩以及期望的曲轴转矩变量增量129ΔT_{CRK_CL}的变化，该发动机转矩在64处被控制到期望的开环曲轴转矩128，在80处确定期望的曲轴转矩变量增量ΔT_{CRK_CL}的量值。

图5F示出了变速箱输出转矩132T_{TRANS_OUT}和ERAD转矩134T_ERAD的变化。变速箱输出转矩的增加136是由于图5B中示出的所增加的离合器最大转矩112而引起的。

用于变速箱推进通道的有效推进请求是在机械通道和电动通道之间已经确定了推进分配之后，在车辆起跑条件期间所期望的变速箱输出转矩。由于可以通过机械推进通道以及电动推进通道来满足整个车辆推进请求，因此该方法弥补了在车辆起跑条件期间由ERAD所提供的任意车辆推进辅助。

图6示出了动力换档变速箱16的细节，该动力换档变速箱包括：第一输入离合器40，其选择性地将变速箱16的输入端20交替地连接到与第一副轴244相关的偶数编号的齿轮42；以及第二输入离合器41，其选择性地将输入端20交替地连接到与第二副轴249相关的奇数编号的齿轮43。

副轴244支撑小齿轮260、262、264(每个小齿轮通过轴颈连接于(journal)轴244上)和联接器266、268(其被固定至曲轴244)。小齿轮260、262、264分别与第二、第四和第六齿轮相关。联接器266包括轴套270，可以将该套向左移动以啮合小齿轮260并将小齿轮260可驱动地连接到轴244。联接器268包括轴套272，可以将该轴套向左移动以啮合小齿轮262并将小齿轮262可驱动地连接到轴244，并且可以将该轴套向右移动以啮合小齿轮264并将小齿轮264可驱动地连接到轴244。

副轴249支撑小齿轮274、276、278(每个小齿轮通过轴颈连接于轴249上)和联接器280、282(其被固定至曲轴249)。小齿轮274、276、278分别与第一、第三和第五齿轮相关。联接器280包括轴套284，可以将该轴套向左移动以啮合小齿轮274并将小齿轮274可驱动地连接到轴249。联接器282包括轴套286，可以将该轴套向左移动以啮合小齿轮276并将小齿轮276可驱动地连接到轴249，并且可以将该轴套向右移动以啮合小齿轮278并将小齿轮278可驱动地连接到轴249。

变速箱输出端32支撑齿轮288、290、292(其每一个均固定至轴32)。齿轮288与小齿轮260和274相啮合。齿轮290与小齿轮262和276相啮合。齿轮292与小齿轮264和278相啮合。

联接器266、268、280和282可以是同步器、或齿式离合器或它们的组合。尽管只参照前向驱动描述了变速箱16的运转，但该变速箱能够通过结合低动力通道之一中的倒档中间齿轮(reverseidler gear)和用于啮合反向驱动器的反向联接器来产生反向驱动。当选择反向驱动运转时，输入离合器40、41中的一个将被啮合。

尽管已经参考动力换档变速箱描述了本发明，但本发明适用于任何传统手动变速箱、自动转换手动传输装置、或在发动机和变速箱输入端之间的动力通道中没有转矩变换器的自动变速箱。

已经根据专利条例的规定描述了优选实施例。然而，应当注意，除了具体示出和描述的之外，还可以实现替换实施例。

Claims (6)

1.一种用于控制车辆起跑条件的系统，所述系统包括：

第一车轮组，可驱动地连接至包括曲轴的发动机；

变速箱，包括输入端和输出端，所述输入端可驱动地连接至所述曲轴，所述变速箱能够在当前齿轮中运转；

输入离合器，用于交替地关闭和打开所述曲轴和变速箱输入端之间的驱动连接；以及

电机，可驱动地连接至第二车轮组；

控制器，被配置为确定将在所述第一车轮组和所述第二车轮组处产生的车轮转矩的期望量值；确定曲轴转矩量值；产生所述输入离合器的最大转矩的预定量值；确定曲轴速度误差；确定所述曲轴处的转矩在量值上的改变，所述改变将降低所述曲轴速度误差；运转所述发动机以产生期望的发动机转矩，所述发动机转矩的量值由所述曲轴处的转矩在量值上的改变和期望的曲轴转矩量值所确定；以及运转所述电机以在所述第二车轮组处产生所期望的转矩量值。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括第二车轮组，并且其中，所述控制器被进一步配置为确定将在所述第二车轮组处产生的车轮转矩的期望量值，并且运转所述电机以在所述第二车轮组处产生转矩的期望量值。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被进一步配置为：

沿斜度将所述输入离合器的最大转矩增加至等于所述曲轴处转矩的最大转矩；以及

进一步将所述输入离合器的最大转矩增加至比所述曲轴处的转矩大的最大转矩。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被进一步配置为，使用将在所述第一车轮组处产生的车轮转矩的期望量值和所述当前齿轮的传动比来确定所述输入离合器的最大转矩量值。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被进一步配置为：

确定横跨所述输入离合器的期望滑移；

使用横跨所述输入离合器的期望滑移和所述输入离合器的输出端的速度来确定期望的曲轴速度；以及

使用所期望的曲轴速度与所述曲轴的速度之间的差额来确定所述曲轴速度误差。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被进一步配置为，使用所述曲轴速度误差来确定所述曲轴处所期望的转矩改变，所期望的转矩改变将降低所述曲轴速度误差。

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